LMP91050：用于非色散紅外（NDIR）傳感應用的可配置AFE

在電子工程領域，傳感器模擬前端（AFE）對于準確采集和處理傳感器信號至關重要。德州儀器（TI）的LMP91050是一款專為非色散紅外（NDIR）傳感應用優化的可編程集成AFE，下面我們來詳細了解它。

文件下載：lmp91050.pdf

一、關鍵特性與規格

特性亮點

• 可編程增益放大器：提供低增益（167 V/V - 1335 V/V）和高增益（1002 V/V - 7986 V/V）兩種模式，每種模式有四個可編程增益設置，能適應不同靈敏度的熱電堆傳感器。
• 暗信號偏移消除：通過內部DAC調整輸出電壓的直流偏移，補償暗信號，確保系統在不同溫度下的準確性。
• 支持外部濾波：可通過專用引腳A0和A1進行額外的信號濾波（高通、低通或帶通），有效去除帶外噪聲。
• 共模發生器和8位DAC：共模電壓可編程為1.15 V或2.59 V，增加輸出動態范圍；DAC用于調整輸出偏移。

關鍵規格參數

二、應用領域

LMP91050的應用十分廣泛，主要集中在NDIR傳感相關領域：

• 需求控制通風：精確監測室內空氣質量，實現智能通風控制。
• 建筑監測：實時監測建筑物內的氣體濃度，保障環境安全。
• 汽車二氧化碳座艙控制：維持車內二氧化碳濃度在合理范圍，提升駕乘舒適度。
• 汽車酒精檢測：快速準確檢測駕駛員酒精含量，保障行車安全。
• 工業安全與保障：對工業環境中的有害氣體進行監測，預防事故發生。
• 溫室氣體和氟利昂檢測平臺：助力環境保護和工業生產中的氣體監測。

三、詳細描述

功能框圖與工作原理

LMP91050的輸入通道有兩個可編程增益級，用戶可靈活優化系統增益。內部DAC能獨立于提供給傳感器的共模電壓調整輸出電壓的直流偏移，使采樣信號在ADC滿量程輸入范圍內居中。

特性詳細說明

1. 可編程增益放大器：通過GAIN1和GAIN2[1:0]位可訪問所有增益設置。高增益模式下，輸入信號參考內部生成的VCM電壓，應在±2 mV以內；低增益模式下，第一級提供42 V/V的增益，允許最大輸入信號達±12 mV。
2. 外部濾波：通過EXT_FILT位可選擇兩種測量模式。當EXT_FILT = 1時，可連接外部低通、高通或帶通濾波器。
3. 偏移調整：先測量暗信號，然后編程DAC進行調整，再測量暗信號的殘余量，以便在微控制器內進行進一步的信號處理。低輸出偏移電壓溫度漂移（TCVOS）確保了系統在不同溫度下的準確性。
4. 共模生成：為傳感器提供可編程的共模電壓（1.15 V或2.59 V），但不建議在3.3 V電源下使用2.59 V的VCM。
5. CSB和SCLK：CSB是低電平有效信號，在一次交易中需保持有效；SCLK在寫交易時可空閑為高或低，但讀交易時必須空閑為高。

設備功能模式與編程

1. 功能模式：讀取LMP91050的寄存器時，需使用特殊序列寫入SDIO模式使能寄存器。在讀取過程中，模擬OUT引腳仍正常工作。
2. 編程：通過SPI接口對設備參數進行編程，包括兩級PGA增益、啟用外部濾波、啟用PGA電源、偏移調整和共模電壓等。SPI接口的寄存器組織為可單獨尋址的字節長寄存器，具有唯一地址。

四、應用與實現

典型應用電路

典型的NDIR傳感應用電路中，需要確定熱電堆的特性、合適的增益和共模電壓，選擇支持所需分辨率和更新速率的模數轉換器，確定級間低通濾波器的帶寬，并通過SPI接口與微控制器或其他邏輯設備連接以配置LMP91050。

設計步驟

1. 選擇合適的級間帶通濾波器帶寬，將共模電壓（CMOUT）連接到熱電堆和帶通濾波器。
2. 在OUT引腳和ADC輸入之間插入低通濾波器，進一步降低信號噪聲并防止混疊。
3. 進行電源旁路處理，確保電源穩定。
4. 根據熱電堆特性，選擇要編程到LMP91050中的共模電壓和增益，使熱電堆的預期動態范圍在ADC滿量程范圍內居中，并補償信號路徑中濾波器的損耗。
5. 可通過編程內部DAC進一步優化OUT引腳的信號范圍。

五、電源與布局建議

電源建議

由于LMP91050用于采樣數據系統，需確保電源噪聲在可接受水平以下。雖然該設備在寬頻率范圍內具有出色的電源抑制能力，但仍需進行適當的電源旁路處理。若使用開關電源，可能需要額外的濾波。

布局指南

所有組件應盡可能靠近設備放置，特別是連接到VDD的旁路電容器。合理的布局有助于減少噪聲干擾，提高系統性能。

六、總結

LMP91050憑借其豐富的特性和出色的性能，為NDIR傳感應用提供了一個完整的信號路徑解決方案。電子工程師在設計相關系統時，可根據具體需求靈活配置該設備，充分發揮其優勢，實現高精度的傳感器信號采集和處理。你在使用LMP91050的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。